1、第五章 工业机器人机械系统设计,主要内容,5.1工业机器人总体设计5.2传动部件设计5.3臂部设计5.4手腕设计5.5手部设计5.6机身及行走机构设计,5.1工业机器人总体设计,一、主体结构设计工业机器人坐标形式有：直角坐标式圆柱坐标式球面坐标式(极坐标式)关节坐标式。,1.直角坐标式机器人,一般直角坐标式机器人的手臂能垂直上下移动(Z方向运动)，并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动(x和y方向运动)。直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业。直角坐标式机器人主体结构具有三个自由度，而手腕自由度的多少可视用途而定。,直角坐标机器人演示,直角坐标机器人应用
2、,直角坐标式机器人的优点是：(1)结构简单。(2)容易编程。(3)采用直线滚动导轨后，速度高，定位精度高。(4)在x，y和z三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，对控制系统设计相对容易些。,直角坐标式机器人主要缺点是：(1)导轨面的防护比较困难。(2)导轨的支承结构增加了机器人的重量，并减少了有效工作范围。(3)为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨，价格高。(4)结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。(5)移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗。,起重机台架式直角坐标机器人的应用越来越多，在直角坐标机器人中的比重正在增加。,2圆柱坐标式机器人,圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：
3、腰转，升降，手臂伸缩。手腕通常采用两（三）个自由度，绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的水平轴线转动。,圆柱坐标式机器人的优点：（1）除了简单的“抓一放”作业外还可以用在许多其它生产领域。(2)结构紧凑。(3)在垂直方向和径向有两个往复运动，可采用伸缩套筒式结构。当机器人开始腰转时可把手臂缩进去，在很大程度上减少了转动惯量，改善动力学载荷。,圆柱坐标式机器人的缺点：主要是由于机身结构的缘故，手臂不能抵达底部，减少了机器人的工作范围。,3球面坐标式机器人,球面坐标式机器人具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂。在这类机器人中最出名的一种产品是美国unimation公司的Unimation 机器人，
4、它的结构简图如图所示。机器人主体结构有三个自由度，绕垂直轴线(柱身)转动、水平轴线(关节6)的转动、手臂伸缩的移动关节2，其最大行程决定了球面最大半径，机器人实际工作范围的形状是个不完全的球缺。,4关节坐标式机器人,关节坐标式机器人主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节，手腕的三个自由度上的转动关节(俯仰，偏转和翻转)用来最后确定末端操作器的姿态。,关节坐标式机器人的优点：（1）结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小。(2)具有很高的可达性。(3)因为没有移动关节，所以不需要导轨。(4)所需关节驱动力矩小，能量消耗较少。,关节坐标式机器人的缺点：(1)肘关节和肩关节轴线是平行
5、的，当大小臂舒展成直线时虽能抵达很远的工作点，但是机器人结构刚度比较低。(2)机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。,二、传送方式的选择,传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动方式。基本的连接形式和驱动方式有如下几种：（1）直接连接传动。驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。（2）远距离连接传动。驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。（3）间接驱动。驱动源经一个速比远大于1的机械传动装置与关节相连。（4）直接驱动。驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于1的机械传动这样的中间环节与关节相连。,1直接连接传动的特点,优点：驱动电机直接装在关节上、结构紧凑。
6、缺点：电机比较重，腰转时大臂关节电机和小臂关节电机随之运动；大臂转动时小臂关节电机也随之运动。不仅增加了能量消耗，而且增大了转动惯量从动力学观点来看对系统相有损害。克服的办法：把肘关节电机、肩关节电机都放到机器人的基础部件上，通过远距离的机械传动把电机动力传给肘和肩关节。,2远距离连接传动,远距离连接传动机器人的主要优点：(1)克服了直接连接传动的缺点。(2)可以把电机作为一个平衡质量，获得平衡性良好的机器人主体结构。,2远距离连接传动,远距离连接传动机器人的主要缺点：(1)远距离传动产生额外的间隙和柔性，影响机器人的精度。(2)增加能量消耗。（3）结构庞大，传动装置占据了机器人其它子系统所需要的空间。,图所示SCARA机器人采用了一种折哀的方案：因为手腕离机器人基础件最远，把手腕电机从手腕处移到基础件附近安装，中间采用同步带传动；因基础件附近空间已经比较狭窄，并且臂1的刚性也比较好，肘关节电机就直接装在肘关节上。,3间接驱动机器人,间接驱动机器人是驱动电机和关节之间有一个速比远大于1的机械传动装置。使用机械传动装置的理由是：(1)工业机器人关节转轴的速度不高，而关节驱动力矩要求比较大
安全达人 